極光探秘

□吳再豐 編譯

極光探秘

□吳再豐 編譯

極光圍著磁極點的地區(qū)像光環(huán)那樣顯現(xiàn)。極光發(fā)電機的正極是早晨側(cè)的磁層界面，負極是傍晚側(cè)的磁層界面。那么，正負端子是怎樣給極地的超高層大氣提供電力的呢？

點綴極地夜空的極光，可謂是地球上所看到的最神秘的自然現(xiàn)象之一。

極光的英文名叫“aurora”。實際上，它出自羅馬神話“曙光女神”的名字，古人相信趕走黑夜、引來黎明的是這個曙光女神。而在中世紀的歐洲，如果極光出現(xiàn)，卻會被認為是不祥之兆；那時的人把兩極中緯度地區(qū)天空上出現(xiàn)的那種極光現(xiàn)象與血腥聯(lián)想在一起，并作為上帝發(fā)怒的征兆。

其實，極光不是天氣現(xiàn)象，而是一種宇宙物理現(xiàn)象。從太陽飛來的所謂太陽風的帶電粒子，會被地球磁場捕俘并加速，通過與超高層大氣碰撞便形成了極光。在太陽活動高峰期，可大大提高觀察大規(guī)模且有色彩變化的極光的可能性。預計今明兩年將迎來太陽的高峰期，這將有利于對極光的深入研究。

地球是巨大的磁鐵

首先對地磁緯度作一說明。在地球上的磁鐵通常指南北，這是因為地球自身存在大的磁鐵。1600年，英國物理學家威廉·吉爾伯特闡明地球周圍有自南向北的磁力線包圍，地磁的擴散即構(gòu)成磁場。地球地磁與穿過地球中心的條形磁鐵的磁場（偶極磁場）非常相似。假定地球中心有條形磁鐵，那么其軸與自轉(zhuǎn)軸偏離約11.5°。另外，條形磁鐵的延長線碰到地表的點稱“地磁極”。

地磁的南北兩極與地球的南北兩極不一致，而且位置也不固定。這是因為地球磁場每年都在變化，地磁極的位置也在變化。2005年，地磁北極在北緯79.7°，西經(jīng)71.8°的格陵蘭的西北部，地磁南極在南緯97.7°，東經(jīng)108.2°的位置。即在北半球，地球的地磁極比自轉(zhuǎn)軸更傾向于美國，在南半球更傾向于澳大利亞。

極光在夜里比白晝更活躍

地球上極光最常見的地方是在地磁緯度65～75°的面包圈狀地區(qū)，該地區(qū)被稱作“極光帶”。極光帶在北半球是從西伯利亞的北極海側(cè)起經(jīng)斯堪的納維亞半島以北，格陵蘭的南端穿過哈德遜灣，再從加拿大的北部穿過阿拉斯加的正中這一地區(qū)。這一帶有極光“銀座”之稱，據(jù)統(tǒng)計每年有200多天能見到極光。在南半球有同樣的極光帶，恰好是圍著南極大陸轉(zhuǎn)一圈。

但是，在某個瞬間，極光并不覆蓋整個極光帶。如果從數(shù)萬千米上空的人造衛(wèi)星拍攝實際的極光，就會發(fā)現(xiàn)極光并不是相對磁極成同心圓狀分布。白天會偏向高緯度，晚上則偏向低緯度區(qū)域出現(xiàn)。這個區(qū)域被稱作“極光橢圓”。極光沿著極光橢圓出現(xiàn)，但是清晰明亮的極光大多發(fā)生在半夜。極光在夜里比白天更趨活躍。

極光是放電現(xiàn)象

19世紀中葉，科學家覺得極光應該是太陽光線通過懸浮在極地大氣中的小冰片被反射而出的發(fā)光現(xiàn)象，那么通過棱鏡來看極光，理應看到像彩虹那樣的七色光（連續(xù)光譜）。

有趣的是，我們知道極光不是連續(xù)光譜，而是由若干線譜和帶譜構(gòu)成。實驗得知，將玻璃管抽成真空，加高電壓會引起放電，殘存在玻璃管內(nèi)的空氣會發(fā)光，那個光由線譜和帶譜構(gòu)成。所以，瑞典物理學家奧古斯特·羅姆認為，極光是“放電現(xiàn)象”。

讓極光發(fā)光是電離層中的氧原子、氧分子、氮分子或它們的離子。如果這些粒子與具有非常大運動能量的數(shù)千電子伏特的電子碰撞，則提高了粒子內(nèi)部的能量狀態(tài)。因為這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，不久就回到原來能量的低穩(wěn)定狀態(tài)，那時會將多余的能量作為光子釋放，被釋放的能量由被碰撞的粒子的種類決定，這樣就看到在特定波長的顏色上發(fā)光。

例如，最常見的淺綠色幕狀極光是氧原子發(fā)出波長558納米（1納米是十億分之一米）的光造成的。明亮幕狀極光的下端也有在高度90～100千米被染成粉紅色的，而這是由氮分子發(fā)出波長570～770納米的光造成的。另外，引起大的磁暴時，在日本北海道等地會看到像火山噴發(fā)那樣紅的極光，則是氧原子發(fā)出波長630納米的光形成的。

極光產(chǎn)自太陽的日冕

太陽的能量大體上分為三類：第一類幾乎可以說是可見光的能量；第二類是對生物有害的紫外線或X射線，但這些射線已在對流層上面被大氣吸收，幾乎沒有到達地表；第三類是等離子體。所謂“等離子體”，是原子完全電離為質(zhì)子與電子的狀態(tài)。導致極光發(fā)光的，就是那個等離子體流借助太陽風沖擊地球之故。

從宇宙學中得知，當太陽被加熱到100萬開以上的高溫時，這個太陽就又被稱之為“日冕”。它被稀薄大氣層包裹著。日冕慢慢地膨脹，最終變?yōu)槊胨?00千米以上的太陽風，刮過太陽系的空間。這個太陽風的能量只有可見光能量的百萬分之一，其中每立方厘米只有10個帶電粒子。但是那樣的太陽風會對行星間空間或地球的電磁現(xiàn)象產(chǎn)生很大影響。

高峰期頻繁引起爆發(fā)現(xiàn)象

太陽活動是否活躍，其最顯著的標志表現(xiàn)在于黑子的數(shù)量上。太陽黑子數(shù)量按大約11年的周期增減，黑子多時被稱為太陽活動旺盛的“高峰期”，反之稱為“極小期”。

高峰期在黑子周邊的強磁場儲備了巨大的能量，造成磁場畸變。一旦能量釋放，就頻繁地發(fā)生被稱之為“耀斑”的爆發(fā)現(xiàn)象。隨著耀斑的爆發(fā)，超高溫的等離子體便出現(xiàn)在日冕中。另外，電子或離子也被加速到接近光速，并一下子釋放到行星間。

作為另一個爆發(fā)現(xiàn)象，“日冕氣體拋射”（CME，即發(fā)生包含強磁場或高密度帶電粒子的等離子體云）一邊向太陽外側(cè)上升一邊急劇膨脹，成長到遠遠超過太陽本身大小。伴隨耀斑或日冕氣體拋射的太陽風，秒速達到1000千米，爆發(fā)后約兩天到達地球。

如果CME與地球發(fā)生碰撞，則能劇烈搖晃地磁層，此刻就會出現(xiàn)極光。與此同時，也會出現(xiàn)大的磁暴，造成電波通信障礙。

極光發(fā)電機原理

在自然界有打雷等瞬間的放電現(xiàn)象，但極光是連續(xù)放電現(xiàn)象，所以必須要有供給電力的發(fā)電機。極光放電的電力達到10億千瓦，幾乎相當于美國一年的電力消耗量。一般的發(fā)電機，通過在磁場中快速運動使導電體產(chǎn)生電動勢。在極光發(fā)電機擔當導電體角色的是等離子體流的太陽風，人們將這樣的發(fā)電稱之為“磁流體（MHD）發(fā)電”。

由于帶電粒子通過磁場的行進路線被彎曲，所以太陽風并不是直接撞上構(gòu)成巨大磁鐵的地球。太陽風刮到地球附近時，在地球周圍制造空洞，可見地球磁場起到了守護地球免遭太陽風直擊的屏障作用。我們將守護空洞的這個磁場稱為“地球磁層”。地球磁層在太陽側(cè)（晝側(cè)）被太陽風壓碎，在對側(cè)（夜側(cè)）構(gòu)成像彗星那樣拖著長長尾巴的形狀，稱為“磁層尾部”。這個閉磁層形成的理論是由1931年英國地球物理學家西德尼·查普曼提出的。

雖說地球磁場有被禁錮在磁層內(nèi)的傾向，但因太陽風經(jīng)常搬來太陽磁場，所以具有磁場。被磁化的等離子體流被刮到磁層的周圍時，地球磁場沒有完全被禁錮在磁層里面，從而使從磁層交界的極地出來的磁力線與太陽風的磁力線結(jié)合。人們將這個重接的磁力線稱為“磁重接”。

導電體的太陽風，通過橫穿這個被重接的磁力線產(chǎn)生電動勢。這就是極光電動機的原理，即太陽風與地球磁場確實構(gòu)成了自然的大發(fā)電站。從查普曼的理論到這個重要理論的改進整整用了30年，顯示了科學的進步是多么不易啊。

20世紀60年代，人造衛(wèi)星觀測表明，磁層內(nèi)部具有非常復雜的結(jié)構(gòu)。最靠近地球的地方有以地球的電離層為源頭的等離子體層，與此部分重疊的又被稱之為“范·艾倫帶”，它是充滿高能粒子的輻射帶。磁層尾部有被電離的熱粒子塞滿的“等離子體片”，儲存著太陽風的能量。夜里引起頻繁極光的粒子就是從這里沿著磁力線來的。

極光的放電電路

極光圍著磁極點的地區(qū)像光環(huán)那樣顯現(xiàn)，這是因為極光放電電路像包圍磁極點那樣分布的緣故。極光發(fā)電機的正極是早晨側(cè)的磁層界面，負極是傍晚側(cè)的磁層界面。那么，正負端子是怎樣給極地超高層大氣提供電力的呢？

首先，我們發(fā)現(xiàn)在地球連接早晨側(cè)磁層界面的磁力線分布在極地傍晚側(cè)構(gòu)成的半圓中，而傍晚側(cè)磁層界面的磁力線分布在極地早晨側(cè)構(gòu)成的半圓中，電子在稀薄的等離子體中沿著磁力線盤成螺旋形那樣運動，所以這些磁力線在極光放電時起到了看不見的“電線”的作用。即放電電流從磁層界面的正極流入極地早晨側(cè)的電離層，橫穿極冠（極光橢圓所包圍的內(nèi)側(cè)部分）的電離層后，從電離層流向傍晚側(cè)磁層界面的負極。這個被稱之為第一個極光放電電路，也是極光在極地呈現(xiàn)環(huán)狀的理由之一。但是實際的放電電路遠比這個要復雜，剛才所述的電路在赤道側(cè)也有一個。而在夜里頻繁出現(xiàn)的極光放電電路則另當別論。

這個放電電流是靠沿著磁力線分布的電子來傳輸?shù)?。它的部分電子來自太陽風，也包含電離層的電子。需要注意的是，電流的流向與電子的運動方向相反。再者，由于放電電路是開放的，如果沒有電離層，就不會引起極光放電。

地球的磁性正在減弱

通常，極光出現(xiàn)的緯度是由太陽風與地球磁場的平衡決定的。在太陽活動高峰期的2000年，當時極光帶位于地磁緯度的45～50誘，這意味著極光橢圓擴大。在這樣的狀態(tài)下，即使在日本北海道也能見到極光。

但是，在極地所能看到的劇烈舞動的極光并未來到北海道。由于地球是圓的，在北海道只能好不容易才看到極光幕的上邊部分，由于那部分紅色居多，所以在北海道能見到的是靠近地平線隱隱約約的染成紅色的極光。

自從十九世紀德國物理學家卡爾·高斯最早測定地磁強度以來，地球的磁力在百年間已降低5%，即每年以0.05%的比例降低。近30年通過衛(wèi)星磁力測定發(fā)現(xiàn)，其減少率進一步提高，每年已達0.07%，如果照這樣的比例降低，1200年后地球的磁力將變?yōu)榱悖ǖ厍虼艌鰧l(fā)生逆轉(zhuǎn)）。

倘以這個數(shù)據(jù)為基礎，模擬千年后的極光帶，那么極光將會在東北亞上空飛舞，屆時我們不用去極地就能觀賞極光了。